Насекомых защитила от инсектицидов та же мутация, что когда-то спасла их от терпеноидов растений

Рис. 1. Вылезающая из-за листа божья коровка идет охотиться на тлей, которые кормятся тканями растения. Вся эта пищевая цепочка держится на давно возникших мутациях в гене одной из субъединиц рецептора ГАМК_А, делающих и божьих коровок, и тлей нечувствительными к содержащимся в растениях терпеноидам. Фото с сайта flickr.com

Около 20 лет назад ученые описали мутации, делающие современных насекомых устойчивыми к нейротоксичным инсектицидам. Новое исследование показывает, что те же самые мутации миллионы лет назад позволили древним насекомым приобрести устойчивость к растительным терпеноидам и расширить свой рацион.

Примерно 20 лет назад ученые заметили стремительно распространившуюся по миру мутацию в ДНК насекомых, делавшую тех нечувствительными к инсектицидам из класса циклодиенов. Дальнейшие исследования показали, что всему виной замены одной аминокислоты на другую в определенных позициях белка, который называется рецептором ГАМК_А.

Этот белок, состоящий из пяти отдельных субъединиц, образует поры, через которые в клетку могут проникать ионы хлора из внешней среды, делая заряд на внутренней стороне мембраны более отрицательным и затрудняя деполяризацию мембраны. В неактивном состоянии канал закрыт, а открывается он при связывании с нейромедиатором гамма-аминомасляной кислотой (ГАМК). Эта способность открывать хлорные каналы на мембране делает гамма-аминомасляную кислоту одним из ключевых тормозных нейромедиаторов.

Рецептор ГАМК_А присутствует и у человека, и у насекомых, выполняя в обоих случаях сходную роль в обеспечении торможения в нервной системе. В то время как рецептор ГАМК_А человека является мишенью для успокоительных и снотворных средств, а также препаратов для наркоза, его гомолог у насекомых — удобная мишень для блокирования каким-нибудь инсектицидом. Блокирование рецептора ГАМК_А делает невозможным торможение в нервной системе, и насекомое умирает, как если бы подверглось фатальному эпилептическому приступу. Именно так действуют циклодиены, а также, например, пикротоксин.

Оказалось, что даже точечные мутации в гене, кодирующем субъединицу RDL этого рецептора, способны лишить инсектициды возможности связываться с рецептором и блокировать его. Это резко снижало эффективность борьбы с вредителями и делало проблему очень актуальной. Именно поэтому еще в 2000-х годах по мутациям, делающим рецептор ГАМК_А вновь неуязвимым, было написано достаточно много статей. Больше всего данных о таких мутациях было накоплено для любимого насекомого всех генетиков — плодовой мушки дрозофилы — а также малого булавоусого хрущака (Tribolium castaneum) или паразита овец, зеленой падальницы Lucilla cuprina (R. ffrench-Constant et al., 2000. Cyclodiene Insecticide Resistance: From Molecular to Population Genetics).

Все эти мутации возникли de novo в течение последних 70 лет и распространились путем естественного отбора — их носители просто не умирали от инсектицидов и имели больше шансов оставить потомство. Как говорится — все, что нас не убивает, делает нас сильнее.

Новое исследование, опубликованное в журнале Nature Ecology & Evolution, показывает, что такой же эволюционный путь некоторые группы насекомых проходили еще более 300 миллионов лет назад — разные линии ныне живущих насекомых, таких как божьи коровки, тли и бабочки, несут ровно те же мутации, которые в изобилии возникали уже в наше время у других групп насекомых. Одна из основных замен, которую использовали и современные насекомые, и их древние сородичи — замена аланина на серин в положении 302 в белке RDL. Такая мутация делает связывание яда с рецептором менее прочным (рис. 2). В некоторых эволюционных линиях этот же остаток мог заменяться на аспарагин.

Если у современных насекомых за такое короткое время могли закрепиться только единичные аминокислотные замены, то за миллионы лет у тлей, божьих коровок и бабочек произошли еще и удвоения гена субъединицы RDL рецептора ГАМК_А. Очевидно, что на удвоенном гене проще ставить эволюционные «эксперименты», но возникает вопрос: для чего они им понадобились? Кто травил предок божьих коровок и бабочек миллионы лет назад?

Рис. 2. Связывание молекулы инсектицида пикротоксина с рецептором ГАМК_А с разных ракурсов. Остаток аланина в положении 302 здесь обозначен как A2ʹ. Он плотно контактирует с молекулой яда и в рецепторе дикого типа помогает ее удерживать, тем самым способствуя плотному вхождению яда в пору (как пробка в бутылку) и блокированию канала. Если заменить его на какой-то другой остаток, молекула яда не сможет плотно закупорить канал в этом месте. Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature Ecology & Evolution

Их травили растения, а инсектицидами служили терпеноиды. Это разнообразные циклические органические соединения, которые растения в процессе биосинтеза «собирают» из изопреновых звеньев — подобно тому, как клетки человека «собирают» молекулы холестерина. Пути такой «сборки» полностью сложились у первых голосеменных, что дало им мощную химическую защиту от насекомых, жаждавших полакомиться их семенами, листьями и иголками. Терпеноиды служат репеллентами из-за своей летучести и оказывают токсическое действие на организм насекомых за счет связывания с разными белками-рецепторами. В том числе — с рецептором ГАМК_А.

Насекомым пришлось срочно приспосабливаться — не оставаться же без обеда! В итоге рецепторы ГАМК_А изменились у предков современных тлей — без этих мутаций голосеменные были бы для них ядовитыми (рис. 3). Спустя миллион лет предки современных божьих коровок приобрели аналогичные мутации — это позволило им питаться тлями, накапливающими в себе огромные количества безвредных для них терпеноидов. Наконец, 94 миллиона лет назад, когда на Земле расцветали первые покрытосеменные, рецепторы ГАМК_А эволюционировали у группы невзрачных ночных мотыльков. Это позволило им перейти на питание нектаром цветов, не опасаясь получить от них ядовитый терпеноидный коктейль. Красотой и разнообразием всех бабочек мира мы обязаны именно мутациям в гене, кодирующем одну из субъединиц рецептора ГАМК_А.

Рис. 3. Эволюционное древо насекомых, время появления у них защитных мутаций в гене субъединицы RDL рецептора ГАМК_А и время появления основных групп растений на одной геохронологической шкале. Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature Ecology & Evolution

Эти три группы приобрели идентичные аминокислотные замены и удвоили гены субъединицы RDL независимо друг от друга, что является примером канализированности эволюции. Спустя миллионы лет уже нынешним насекомым пришлось идти проторенной дорожкой, приобретая те же мутации в процессе ускоренного отбора под действием синтетических инсектицидов. Так что резистентность насекомых к циклодиенам имеет ту же самую биохимическую природу, что и резистентность к натуральным терпеноидам.

Эта история напоминает эволюцию антибиотикорезистентности у бактерий: многие мутации, делающие их устойчивыми к препаратам, появились задолго открытия пенициллина Флемингом, так как миллионы лет грибы и актиномицеты «травили» бактерий антибиотиками — и тем приходилось отбиваться. В этом плане показательна история кошмара современных больниц — метициллинрезистентного золотистого стафилококка (MRSA), который, скорее всего, впервые возник в микрофлоре ежей (Устойчивые к метициллину штаммы S. aureus были у ежей еще до открытия антибиотиков, «Элементы», 24.01.2022). Живущие в ней грибы заставляли своих соседей- стафилококков приспосабливаться — и стоило тем изменить структуру белка-мишени, как они стали опасны и для человека.

Ситуация с насекомыми отличается в том смысле, что каждой группе насекомых пришлось «доходить» до всего заново и самостоятельно проходить естественный отбор для закрепления дающих устойчивость мутаций. Все дело в том, что бактерии могут обмениваться генами друг с другом путем горизонтального переноса, а у животных это казуистика даже в эволюционных масштабах времени. Наверное, оно и к лучшему — а то мы имели бы все шансы встретить дома таракана с генами от тарантула. И вырабатывать устойчивость к яду пришлось бы уже нам.

Источник: Lei Guo, Xiaomu Qiao, Diler Haji, Tianhao Zhou, Zhihan Liu, Noah K. Whiteman & Jia Huang. Convergent resistance to GABA receptor neurotoxins through plant–insect coevolution // Nature Ecology & Evolution. 2023. DOI: 10.1038/s41559-023-02127-4.

См. также:
1) Популярный синопсис к обсуждаемой статье на сайте журнала Science (на английском).
2) David O. Kennedy. Plants and the Human Brain — хорошая книга, в которой, в частности, рассказывается о химическом противостоянии между растениями и нервной системой насекомых.

Георгий Куракин